电力电子复习题.docx
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1、晶闸管基本特性:a、静态特性:当晶闸管承受反向电压时,不论门极是否有触发电流,晶闸管都不会导通。 当晶闸管承受正向电压时,仅在门极有触发电流的情况下晶闸管才会导通。晶闸管一旦导通,门极就失去控制作用,不论门极触发电流是否还存在,晶闸管都保持导通 若要使已导通的晶闸管关断,只能利用外加电压和外电路的作用使用使流过晶闸管的电流降到接近于零的某一数值(维持电流)以下。b动态特性:开通状态:从门极电流阶跃时刻开始,到阳极电流上升到稳态值的10,这段时间称为延迟时间td,阳极电流从10上升到稳态值的90所需的时间称为上升时间tr。开通时间tgt即定义为两者之和,即tgt=td+tr。关断过程:从正向电流降为零,到反向恢复电流衰减至接近于零的时间,就是晶闸管的反向阻断恢复时间trr。反向恢复过程结束后,由于载流子复合过程比较慢,晶闸管要恢复其对正向电压的阻断能力还需要一段时间,这叫做正向阻断恢复时间tgr。晶闸管的电路换向关断时间tq定义为trr和tgr之和,即tq=trr+tgr。2、电流定额(通态平均电流):国标规定通态平均电流为晶闸管在环境温度为40 C和规定的冷却状态下,稳定结温不超过额定结温时所允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。按照正向电流造成的器件本身的通态损耗的发热效应来定义的。一般取其通态平均电流为按发热效应相等(即有效值相等)的原则所得计算结果的1.52倍。3、双反星形电路与三相桥式电路进行比较可得出以下结论:三相桥式电路是两组三相半波电路串联,而双反星形为两组三相半波电路并联,且后者需用平衡电抗器。当变压器二次侧电压有效值U2相等时,双反星形电路的整流电压平均值Ud是三相桥式电路的1/2,而整流平均电流Id是三相桥式电路的2倍。两种电路中,晶闸管的导通及触发脉冲的分配关系一样,整流电压ud和整流电流id的波形形状一样。4、三相半波可控整流电路:为得到零线,变压器二次侧必须接成星形,而一次侧接成三角形,避免 3次谐波流入电网。三个晶闸管按共阴极接法连接, 这种接法触发电路有公共端,连线方便。电阻负载时a 角的移相范围为0-150。阻感负载时a 的移相范围为0-905、三相半波整流电路的共阴极接法与共阳极接法,a、b两相的自然换相点是同一点吗?如果不是,它们在相位上差多少度?答:三相半波整流电路的共阴极接法与共阳极接法,a、b两相之间换相的的自然换相点不是同一点。它们在相位上相差180。7、在整流电路合闸启动过程中或电流断续时,为确保电路的正常工作,需保证同时导通的2个晶闸管均有脉冲宽脉冲触发 :使脉冲宽度大于60(一般取80 100)双脉冲触发 :用两个窄脉冲代替宽脉冲,两个窄脉冲的前沿相差60,脉宽一般为2030。常用的是双脉冲触发。8、整流电路多重化的主要目的是什么?答:整流电路多重化的目的主要包括两个方面,一是可以使装置总体的功率容量大,二是能够减少整流装置所产生的谐波和无功功率对电网的干扰。9、对于可控整流电路,满足一定条件就可工作于有源逆变,其电路形式未变,只是电路工作条件转变。既工作在整流状态又工作在逆变状态,称为变流电路。10、什么是逆变失败?逆变失败的原因?如何防止逆变失败?答:逆变运行时,一旦发生换流失败,外接的直流电源就会通过晶闸管电路形成短路,或者使变流器的输出平均电压和直流电动势变为顺向串联,由于逆变电路内阻很小,形成很大的短路电流,称为逆变失败或逆变颠覆。原因:触发电路工作不可靠,不能适时、准确地给各晶闸管分配脉冲,如脉冲丢失、脉冲延时等,致使晶闸管不能正常换相,使交流电源电压和直流电动势顺向串联,形成短路。晶闸管发生故障,在应该阻断期间,器件失去阻断能力,或在应该导通时,器件不能导通,造成逆变失败。交流电源缺相或突然消失。换相的裕量角不足,引起换相失败。防止逆变失败的方法有:采用精确可靠的触发电路,使用性能良好的晶闸管,保证交流电源的质量,留出充足的换向裕量角等。11、换流方式各有那几种?各有什么特点?答:换流方式有4种:器件换流:利用全控器件的自关断能力进行换流。全控型器件采用此换流方式。(IGBT,MOSFET,GTO,GTR等全控型器件)电网换流:由电网提供换流电压,只要把负的电网电压加在欲换流的器件上即可。(三相交流调压电路,相控方式的交交变频电路)负载换流:由负载提供换流电压,当负载为电容性负载即负载电流超前于负载电压时,可实现负载换流。(SCR)强迫换流:设置附加换流电路,给欲关断的晶闸管强迫施加反向电压换流称为强迫换流。通常是利用附加电容上的能量实现,也称电容换流。12、直流侧是电压源的称为电压型逆变电路 特点:a 直流侧为电压源,或并联有大电容,相当于电压源。直流侧电压基本无脉动,直流回路呈现低阻抗。b 由于直流电源的钳位作用,交流侧输出电压波形为矩形波,并且与负载阻抗角无关,而交流侧输出电流波形和相位因负载阻抗情况的不同而不同。c 当交流侧为阻感负载时需要提供无功功率,直流侧电容起缓冲无功能量的作用。为了给交流侧向直流侧反馈的无功能量提供通道,逆变桥各臂都并联了反馈二极管。直流电源是电流源的逆变电路称为电流型逆变电路 特点:a 直流侧串联大电感,相当于电流源。直流侧电流基本无脉动,直流回路呈现高阻抗。 b 电路中开关器件的作用仅是改变直流电流的流通路径,因此交流侧输出电流为矩形波,并且与负载阻抗角无关。而交流侧输出电压波形和相位则因负载阻抗情况不同而不同。 c 当交流侧为阻感负载时需要提供无功功率,直流侧电感起缓冲无功能量的作用。因为反馈无功能量时直流电流并不反向,因此不必像电压型逆变电路那样要给开关器件反并联二极管。13、间接直流变流电路分为单端(Single End)和双端(Double End)电路两大类,在单端电路中,变压器中流过的是直流脉动电流,而双端电路中,变压器中的电流为正负对称的交流电流,正激电路和反激电路属于单端电路,半桥、全桥和推挽电路属于双端电路。14、交流电力控制电路交流调压电路:在每半个周波内通过对晶闸管开通相位的控制;可以方便调节输出电压有效值。 交流调功电路:以交流电的周期为单位控制晶闸管的通断,改变通态周期数和断态周期数的比;可以方便调节输出功率平均值。 交流电力电子开关:串入电路中的晶闸管称为交流电力电子开关;只是根据需要接通或关断电路时,选用该种方式。15、交流调压电路和交流调功电路有什么区别?二者各运用于什么样的负载?为什么?答:交流调压电路和交流调功电路的电路形式完全相同,二者的区别在于控制方式不同。交流调压电路是在交流电源的每个周期对输出电压波形进行控制。而交流调功电路是将负载与交流电源接通几个周波,再断开几个周波,通过改变接通周波数与断开周波数的比值来调节负载所消耗的平均功率。交流调压电路广泛用于灯光控制(如调光台灯和舞台灯光控制)及异步电动机的软起动,也用于异步电动机调速。在供用电系统中,还常用于对无功功率的连续调节。此外,在高电压小电流或低电压大电流直流电源中,也常采用交流调压电路调节变压器一次电压。如采用晶闸管相控整流电路,高电压小电流可控直流电源就需要很多晶闸管串联;同样,低电压大电流直流电源需要很多晶闸管并联。这都是十分不合理的。采用交流调压电路在变压器一次侧调压,其电压电流值都不太大也不太小,在变压器二次侧只要用二极管整流就可以了。这样的电路体积小、成本低、易于设计制造。交流调功电路常用于电炉温度这样时间常数很大的控制对象。由于控制对象的时间常数大,没有必要对交流电源的每个周期进行频繁控制。16、三相交交变频电路有那两种接线方式?它们有什么区别?三相交交变频电路有公共交流母线进线方式和输出星形联结方式两种接线方式。两种方式的主要区别在于:公共交流母线进线方式中,因为电源进线端公用,所以三组单相交交变频电路输出端必须隔离。为此,交流电动机三个绕组必须拆开,共引出六根线。而在输出星形联结方式中,因为电动机中性点不和变频器中性点接在一起,电动机只引三根线即可,但是因其三组单相交交变频器的输出联在一起,其电源进线必须隔离,因此三组单相交交变频器要分别用三个变压器供电。17、交交变频电路的最高输出频率是多少?制约输出频率提高的因素是什么?答:一般来讲,构成交交变频电路的两组变流电路的脉波数越多,最高输出频率就越高。当交交变频电路中采用常用的6脉波三相桥式整流电路时,最高输出频率不应高于电网频率的1/31/2。当电网频率为50Hz时,交交变频电路输出的上限频率为20Hz左右。当输出频率增高时,输出电压一周期所包含的电网电压段数减少,波形畸变严重,电压波形畸变和由此引起的电流波形畸变以及电动机的转矩脉动是限制输出频率提高的主要因素。18、试说明PWM控制的基本原理。答:PWM控制就是对脉冲的宽度进行调制的技术。即通过对一系列脉冲的宽度进行调制,来等效地获得所需要波形(含形状和幅值)。在采样控制理论中有一条重要的结论:冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时,其效果基本相同,冲量即窄脉冲的面积。效果基本相同是指环节的输出响应波形基本相同。上述原理称为面积等效原理以正弦PWM控制为例。把正弦半波分成N等份,就可把其看成是N个彼此相连的脉冲列所组成的波形。这些脉冲宽度相等,都等于/N,但幅值不等且脉冲顶部不是水平直线而是曲线,各脉冲幅值按正弦规律变化。如果把上述脉冲列利用相同数量的等幅而不等宽的矩形脉冲代替,使矩形脉冲的中点和相应正弦波部分的中点重合,且使矩形脉冲和相应的正弦波部分面积(冲量)相等,就得到PWM波形。各PWM脉冲的幅值相等而宽度是按正弦规律变化的。根据面积等效原理,PWM波形和正弦半波是等效的。对于正弦波的负半周,也可以用同样的方法得到PWM波形。可见,所得到的PWM波形和期望得到的正弦波等效。19、调制法得到SPWM波把希望输出的波形作为调制信号,把接受调制的信号作为载波,通过信号波的调制得到所期望的PWM波形。通常采用等腰三角波或锯齿波作为载波,其中等腰三角波应用最多。单相桥式PWM逆变电路(调制法)电路工作过程 工作时V1和V2通断互补,V3和V4通断也互补,比如在uo正半周。V1导通,V2关断,V3和V4交替通断。 负载电流比电压滞后,在电压正半周,电流有一段区间为正,一段区间为负。 在负载电流为正的区间,V1和V4导通时,uo=Ud。V4关断时,负载电流通过V1和VD3续流,uo=0。 在负载电流为负的区间,仍为V1和V4导通时,因io为负,故io 实际上从VD1和VD4流过,仍有uo =Ud。V4关断,V3开通后,io从V3和VD1续流,uo=0。uo总可以得到Ud和零两种电平。在uo的负半周,让V2保持通态,V1保持断态,V3和V4交替通断,负载电压uo可以得到-Ud和零两种电平。20、载波信号和调制信号不保持同步的调制方式称为异步调制。异步调制特点:a 在异步调制方式中,通常保持载波频率fc固定不变,因而当信号波频率fr变化时,载波比N是变化的。b 在信号波的半个周期内,PWM波的脉冲个数是不固定的,相位也不固定,正负半周期的脉冲不对称,半周期内前后1/4周期的脉冲也不对称。c 当信号波频率较低时,载波比N较大,一周期内的脉冲数较多,正负半周期脉冲不对称和半周期内前后1/4周期脉冲不对称产生的不利影响都较小,PWM波形接近正弦波。21、载波比N等于常数,并在变频时使载波和信号波保持同步的方式称为同步调制。同步调制特点:在基本同步调制方式中,信号波频率变化时载波比N不变,信号波一个周期内输出的脉冲数是固定的,脉冲相位也是固定的。22、PWM波的生成方式:计算法调制法跟踪控制法23、电流驱动型器件的驱动电路(GTO,GTR)开通控制与普通晶闸管相似,但对触发脉冲前沿的幅值和陡度要求高,且一般需在整个导通期间施加正门极电流.使GTO 关断需施加负门极电流,对其幅值和陡度的要求更高,幅值需达阳极电流的1/3左右,陡度需达50A/us,强负脉冲宽度约30us,负脉冲总宽度约100us,关断后还应在门、阴极之间施加约5v的负偏压,以提高抗干扰能力。24、电压驱动型器件的驱动电路(MOSFET,IGBT)为快速建立驱动电压,要求驱动电路具有较小的输出电阻。 使电力MOSFET开通的栅源极间驱动电压一般取1015V,使IGBT开通的栅射极间驱 动电压一般取15 20V。 关断时施加一定幅值的负驱动电压(一般取-5 -15V)有利于减小关断时间和关断损耗。 在栅极串入一只低值电阻(数十欧左右)可以减小寄生振荡,该电阻阻值应随被驱动器 件电流额定值的增大而减小。1、 图1-43中阴影部分为晶闸管处于通态区间的电流波形,各波形的电流最大值均为Im,试计算各波形的电流平均值Id1、Id2、Id3与电流有效值I1、I2、I3。图1-43 晶闸管导电波形解:a) Id1=()0.2717 ImI1=0.4767 Imb) Id2 =()0.5434 ImI2 =0.6741Ic) Id3= ImI3 = Im2、单相桥式全控整流电路,U2100V,负载中R2,L值极大,当30时,要求:作出ud、id、和i2的波形; 求整流输出平均电压Ud、电流Id,变压器二次电流有效值I2; 考虑安全裕量,确定晶闸管的额定电压和额定电流。解:ud、id、和i2的波形如下图:输出平均电压Ud、电流Id,变压器二次电流有效值I2分别为Ud0.9 U2 cos0.9100cos3077.97(V)IdUd /R77.97/238.99(A)I2Id 38.99(A) 晶闸管承受的最大反向电压为:U2100141.4(V)考虑安全裕量,晶闸管的额定电压为:UN(23)141.4283424(V)具体数值可按晶闸管产品系列参数选取。流过晶闸管的电流有效值为:IVTId27.57(A)晶闸管的额定电流为:IN(1.52)27.571.572635(A)具体数值可按晶闸管产品系列参数选取。3、三相半波可控整流电路,U2=100V,带电阻电感负载,R=5,L值极大,当a=60时,要求: 画出ud、id和iVT1的波形; 计算Ud、Id、IdT和IVT。解:ud、id和iVT1的波形如下图: Ud、Id、IdT和IVT分别如下Ud1.17U2cosa1.17100cos6058.5(V)IdUdR58.5511.7(A)IdVTId311.733.9(A)IVTId6.755(A)联和并联晶闸管时,通常采用先串后并。8- 配套讲稿:
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